Análise de temperatura de pele da superfície do mar em

Artigo Original
DOI:10.5902/2179460X19810
Ciência e Natura, Santa Maria v.38 Ed. EspecialIX Workshop Brasileiro de Micrometeorologia Nº1 , 2016, p. 11 – 14
Artigo original
Revista do Centro de Ciências Naturais e Exatas - UFSM
ISSN impressa: 0100-8307
ISSN on-line: 2179-460X
DOI: http://dx.doi.org/......
Ciência e Natura, Santa Maria, v... 5 out. 2015, p. XX−XX
Revista do Centro de Ciências Naturais e Exatas – UFSM
ISSN impressa: 0100-8307 ISSN on-line: 2179-460X
Análise de temperatura de pele da superfície do mar em regiões de
alta latitude simulada com o modelo WRF
Simulation of the Sea surface skin temperature in high-latitude regions using the WRF
model
Alcimoni Nelci Comin e Otávio Costa Acevedo
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil
[email protected]; [email protected]
Resumo
Os dados reais de temperatura de superfície do mar (TSM) foram coletados durante o transcecto do navio Polar
Almirante Maximiano nas ilhas Shetland do sul e arredores no período 5 a 23 de fevereiro de 2011. Três grades
móveis e concêntricas de resolução 12, 3 e 1 km foram utilizadas nas simulações de temperatura de pele da
superfície do mar (TPSM) com o modelo WRF. As grades são deslocadas a cada dia, sempre centradas na posição
média do navio (latitude/longitude) durante o transcecto. A TPSM é sempre subestimada em relação a TSM em
média 1,5 0C. A velocidade média real do vento observado ao longo do período foi de 8,7 ms-1. Portanto a
quantidade de mistura da água do mar entre TSM e TPSM é maior, e a diferença real de temperatura entre as
duas camadas fica menor, em média 0,5 0C. A subestimativa do modelo é entorno de 1 0C. Essa subestimativa
tem um efeito direto na quantidade de evaporação do oceano para a atmosfera, podendo ocasionar um erro no
balanço de energia. A correlação entre os dados foi de 0,84 e raiz do erro médio quadrático 1,87.
Palavras-chave: WRF.Aarquipélagos Shetland. TPSM.
Abstract
The in situ data of sea surface temperature (SST) were measured onboard the Polar Ship Almirante Maximiano
in the southern Shetland Islands between 5 and 23 February 2011. For the simulations, three concentric nested
grids have been used at the 9 km, 3 km and 1 km spatial resolution in the simulations of the skin sea surface
temperature (SSST) with WRF model. The grids are displaced every day, always centered in the middle position
of the ship (latitude/longitude) during transect. The SSST is underestimated in comparison with SST on average
1.5 0C. The real average wind speed observed was 8.7 ms-1. Therefore the amount of mixing between SST and
SSST is greater, and the temperature difference between the two layers is smaller, on average 0.5 0C. The
underestimation of the model is mean 1 °C. This underestimation directly interfere on the amount of ocean
evaporation for the atmosphere, which may cause error in the energy balance. The correlation of the SSST with
real SST data was 0.84 and root mean square error 1.87.
Keywords: WRF. Shetland islands. SSST.
Ciência e Natura v.38 Ed. Especial- IX Workshop Brasileiro de Micrometeorologia Nº1, 2016, p. 11– 14
1 Introdução
2 Metodologia
A interface atmosfera-oceano se caracteriza por
haver um gradiente de temperatura entre uma
micro-camada de água do oceano e a atmosfera
(Donlon e Robinson, 1997). Esta micro camada
de água de espessura de poucos mm é chamada
de temperatura de pele da superfície do mar
(TPSM). Em geral a TPSM é medida de forma
não invasiva usando sensores infravermelho já a
temperatura de balde da superfície do mar
(TSM) é medida utilizando uma variedade de
sensores de imersão em contato. Para muitos
propósitos é mais apropriado a TPSM do que a
TSM, pois as trocas com a atmosfera ocorre
diretamente nesta camada (Dolon et al. 1999). O
autor resalta que infelizmente há um número
muito reduzido de medidas in situ de TPSM,
sendo que a maior parte dos esforços
internacionais tem se concentrados para as
medidas de TSM.
As ilhas Shetland do Sul são um arquipélago
formado por mais de 20 ilhas ao norte e nordeste
da Península Antártica, com cerca de 540 km de
extensão e uma área de terra de 3687 km2. A
maior parte dessas ilhas (80-90%) está coberta de
calotas de gelo. O arquipélago está separado da
continente Antártico pelo estreito de Bransfield
do Sul e da América do Sul pela passagem de
Drake (localização geográfica ver Figura 1).
Não há estudos mostrando simulações com o
modelo WRF em altas latitudes envolvente a
TPSM. A maioria das simulações para essas
regiões são para a velocidade do vento, pressão e
temperatura (Powers et al. 2007, Hines et al.
2008, Hines et al. 2011, Bromwich et al. 2013). A
pesar de não haver medidas em situ de TPSM o
objetivo principal desse estudo é comparar esta
variável simulada pelo WRF com medidas reais
de TSM. A TPSM é de extrema importância
porque afeta diretamente a quantidade de água
evaporada para a atmosfera, tendo efeito direto
na temperatura e no balanço de energia. Estudos
realizados por Bromwich et al. (2013) com o
modelo WRF na Antártica, resaltou que “... a
atmosfera do modelo é mais seca que o
observado, com nebulosidade deficiente, porque
as menores temperaturas limitam a sublimação e
consequentemente as quantidades de água
precipitável sobre a geleira”.
O modelo Weather Research and Forecasting
(WRF) foi desenvolvido para a pesquisa,
previsão do tempo, modelagem da qualidade do
ar, modelagens climáticas em escala regional,
pesquisa de furacões entre outras. Suas
principais características são: sistema de
simulação de dados em 3 dimensões, arquitetura
de software que permite a sua execução em
paralelo e a extensibilidade do sistema que
permite o programa funcionar para diversas
escalas de poucos
metros até centenas de
quilômetros Skamarock et al. (2008). O modelo
oferece uma grande diversidade de opções
físicas e dinâmicas. Na configuração do modelo
utilizado aqui, foram selecionados os seguintes
critérios: Esquema microfísico de Thompson et
al. (2004) que inclui seis classes de hidrometeoros
mais a concentração de gelo como variável
prognóstico; parametrização de cumulus Kain
(2004) na grades mais externas (na grade interna
não foi utilizada parametrização); esquema de
rápida transferência radiativa do modelo
(RRTM) para a radiação de onda longa, com base
em Mlawer et al. (1997); o esquema de Dudhia
(1989) para a radiação de onda curta; o esquema
de energia cinética turbulenta de MoninObhukov-Janjic (Janjic 2001) para a camada
limite planetária; e o esquema Noah de modelo
de superfície terrestre (Niu et al. 2011).
Os dados reais de temperatura de superfície
do mar (TSM) foram coletados pelo navio Polar
Almirante Maximiano da Marinha do Brasil,
durante a Operação Antártica 29 no período 5-23
fevereiro de 2011. O navio fez um transcecto nas
ilhas Shetland do sul e arredores. Três grades
móveis concêntricas e aninhadas, foram
utilizadas (Figura 1). As grades são deslocadas a
cada dia, sempre centradas na posição média do
navio (latitude/longitude) durante o transcecto.
O domínio maior tem espaçamento horizontal de
12 km com 60 pontos em cada direção
horizontal. A primeira grade aninhada tem
espaçamento horizontal de 3 km com 141 x 141
pontos. A grade mais interna tem espaçamento
horizontal de 1 km, com 187 x 187 pontos na
direção horizontal. A saída do modelo é a cada 1
hora. Todas as grades utilizam 28 níveis na
vertical. As condições iniciais e de contorno do
modelo são fornecidas pelo NCEP Final Global
(FNL)
1,0°
×
1,0°
de
resolução
12
13
Comin e Acevedo :Análise de temperatura de pele da superfície do mar em regiões de alta latitude
simulada com o modelo WRF
(http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2/) disponível
a cada 6 h.
Figura 1 - Localização geográfica do arquipélago das
Shetland do Sul (ao norte do estreito de Bransfield),
Antártica. Também mostra as 3 grades do WRF,
especificamente neste dia centrada na ilha Deception
de 1 0C causa um erro de 10 Wm-2 na radiação de
onda longa (ROL).
Estudos recentes realizados por Hines et al.
(2015), na estação de “SHEBA” no Ártico, para a
temperatura de pele “skin” (medida a 2m da
superfície) utilizando o Polar WRF, encontraram
uma subestimativa média de 0,9 0C em relação
aos dados reais no período 16 a 27 de janeiro de
1998. Valores bastante similares entre a TPSM e
TSM. Os resultados mostrados aqui sugerem que
o WRF subestima a TPSM e, como consequência,
há uma menor quantidade de água evaporada e
perda de ROL para a atmosfera a partir da
superfície do oceano, podendo haver uma
superestimativa de radiação de onda curta. Isso
pode causar uma subestimativa na temperatura
mínima simulada pelo WRF e também um erro
no balanço de energia. A correlação entre os
dados
foi de 0,84 e raiz do erro médio
quadrático 1,87. A média simulado de TPSM foi
de 0,6 0C, enquanto a média observada de TSM
foi 2,1 0C.
3 Resultados e discussão
A figura 2 mostra aos dados observados de
TSM e a TPSM simulados pelo WRF, ambos de
frequência de 1 hora. Particularmente no dia 5,
observa-se uma temperatura maior em relação os
outros dias, pois neste dia o navio estava
passando pelo estreito de Drake em direção ao
arquipélago das Shetland. Durante a maior parte
do período, a TPSM é sempre subestimada em
relação a TSM em média 1,5 0C. Dolon et al.
(1999) mostraram que, em condições de vento
com velocidade menor que 6 ms-1, as diferenças
entre o TPSM e TSM comumente atinge 1,5 0C. À
noite, esta diferença é menor, atingindo no
máximo 0,5 0C. A velocidade média do vento
observada ao longo do período estudado foi de
8,7 m s-1. Portanto a quantidade de mistura da
água do mar entre TSM e TPSM é maior, e a
diferença real de temperatura entre as 2 camadas
fica menor, em média 0,5 0C. Levando-se em
consideração isso a sub estimativa do modelo é
entorno de 1 0C. Essa subestimativa tem um
efeito sobre a quantidade de evaporação do
oceano para a atmosfera e assim, sobre a
parametrização de cumulus no WRF. Isso causa
uma subestimação dos fluxos de calor latente.
Zang e Mcphaden (1995) mostraram que um erro
Figura 2 - Dados observados de temperatura da
superfície do mar (TSM, linha preta contínua) e os
dados simulados pelo WRF para a temperatura de
pele da superfície do mar (TPSM, linha cinza
tracejada), ambos de frequência de 1 hora
4 Conclusões
Há uma tendência de subestimativa entorno
de 1 0C para TPSM simulada pelo WRF em
comparação com a temperatura real, isso
influencia na taxa de evaporação do oceano para
a atmosfera. Consequentemente afeta a previsão
de temperatura mínima, em função de haver
uma maior perda de energia em forma de ROL.
Ciência e Natura v.38 Ed. Especial- IX Workshop Brasileiro de Micrometeorologia Nº1, 2016, p. 11– 14
Este estudo é de grande importância porque a
área em torno da Península Antártica, incluindo
o Estreito de Bransfield está se aquecendo mais
do que a média global nas últimas décadas
(Barrand et al., 2013). As simulações de TPSM
por modelos são de grande importância para a
compreensão dos efeitos locais destas mudanças.
Agradecimentos
Agradeço Dr. Ronald Buss de Souza pelo
fornecimento dos dados de TSM e ao CNPq/CsF
pelo apoio financeiro ao primeiro autor.
Referências
BARRAND, NE, VAUGHAN DG, STEINER N,
TEDESCO M, MUNNEKE PK, VAN DEN
BROEKE MR et al. Trends in Antarctic Peninsula
surface melting conditions from observations
and regional climate modeling. Journal of
Geophysical Research. 2013;118:1-16.
BROMWICH DH, OTIENO FO, HINES KM,
MANNING KW, SHILO E. Comprehensive 569
evaluation of polar weather research and
forecasting performance in the Antarctic. Journal
of Geophysical Research. 2013;118:274-292.
DONLON CJ, NIGHTINGALE TJ, SHEASBY T,
TURNER J, ROBINSON IS, EMERY WJ.
Implications of the oceanic thermal skin
temperature deviation at high wind speed.
Geophysical Research Letters. 1999;26:2505-2508.
DUDHIA J. Numerical study of convection
observed during theWinterMonsoon Experiment
using a mesoscale two-dimensional model.
Journal of the Atmospheric Sciences. 1989;46:
3077-3107.
HINES KM, BROMWICH DH. Development and
testing of Polar WRF. Part I: Greenland Ice Sheet
meteorology.
Monthly
Weather
Review.
2008;136:1971-1989.
HINES KM, BROMWICH DH, BAI LS,
BARLAGE M,. SLATER AG. Development and
Testing of Polar WRF. Part III: Arctic Land.
Journal of Climate. 2011;24:26-48.
HINES KM, BROMWICH DH, BAI LS, BITZ CM,
POWERS JG, MANNING KW. Sea Ice
Enhancements to Polar WRF. Monthly Weather
Review. 2015;143: 2363-2385.
JANJIC ZI. Nonsingular implementation of the
Mellor–Yamada level 2.5 scheme in the NCEP
Meso model. NCEP. 2001;437:1-61.
MLAWER EJ, TAUBMAN SJ, BROWN PD,
IACONO MJ, CLOUGH SA. Radiative transfer
for inhomogeneous atmosphere: RRTM, a
validated correlated-k model for the longwave.
Journal of Geophysical Research. 1997;102:1666316682.
NIU GY, YANG ZL, MITCHELL KE, CHEN F,
EK MB, BARLAGE M et al. The community
Noah
land
surface
model
with
multiparameterization options (Noah-MP): 1.
Model description and evaluation with localscale measurements. Journal of Geophysical
Research. 2011;116:1-19.
POWERS JG. Numerical prediction of an
Antarctic severe wind event with the Weather
Research and Forecasting (WRF) Model.
Monthly Weather Review. 2007;135:3134-3157.
SKAMAROCK WC, KLEMP JB, DUDHIA J, GIL
DA, BARKER DM, DUDA MG et al. Description
of the Advanced Research WRF Version 3.
National Center for Atmospheric Research. 2008;
Boulder, USA.
THOMPSON G, RASMUSSEN RM, MANNING
K. Explicit forecasts of winter precipitation using
an improved bulk microphysics scheme. Part I:
description and sensitivity analysis. Monthly
Weather Review. 2004;132:519-542.
ZANG GJ, MCPHADEN MJ. The relationship
between sea surface temperature and latent heat
flux in the equatorial Pacific. Journal of Climate.
1995;8: 589-601.
14